核電用不銹鋼帶極電渣堆焊焊帶和焊劑的研制

韓宇， 馮偉， 鄒小平, 鄒力維， 陳波

(1.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150028；2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 前言

核電用EQ308L不銹鋼帶極-堆焊材料主要用于核電反應(yīng)堆內(nèi)部所有與一回路水接觸的低合金鋼容器的表面堆焊，如反應(yīng)堆壓力容器、蒸發(fā)器下封頭和穩(wěn)壓器等構(gòu)件[1]。該材料除了對加工精度、合金設(shè)計和焊道成形的要求較高外，對匹配焊劑微量元素的過渡和碳、硫、磷元素的控制要求也較高。同時，由于該材料受熱輸入的影響較大。通常情況下，該材料的開發(fā)難度較大，帶極堆焊同其它焊接方法相比，具有焊道寬、熔深淺、效率高等優(yōu)點，帶極堆焊方法包括埋弧焊和電渣焊，近年來，國外帶極堆焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用到核電領(lǐng)域，在國內(nèi)，核電領(lǐng)域應(yīng)用的埋弧焊較多，電渣焊有應(yīng)用但對其研究較少，對比兩種方法，電渣堆焊的工藝性能優(yōu)良，冶金性能良好，熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能穩(wěn)定，因此，文中開展了核電EQ308L帶極電渣堆焊技術(shù)的研究。

1 焊帶、焊劑成分設(shè)計

1.1 焊帶

資料顯示，C，N原子均可以提高奧氏體不銹鋼強度[2]，但是，C原子是奧氏體不銹鋼引起晶間腐蝕的最主要元素。隨著C含量的增加，奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕能力降低[3]。核級材料不僅要求具有較好的力學(xué)性能，而且還要求具有較好的抗晶間腐蝕能力，文中通過對EQ308L帶極電渣堆焊材料進行控碳控氮處理，保證了EQ308L不銹鋼帶極電渣堆焊材料化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足核電相關(guān)技術(shù)要求，化學(xué)成分見表1。

表1 WEQ308HR焊帶化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 焊劑

通過對基礎(chǔ)電渣焊劑配方的優(yōu)化調(diào)整測試，最終確定渣系為CaF2-MgO-SiO2-Al2O3。

CaF2是主要造渣劑，同時，具有脫硫和去氫的作用，由于熔點較低，有助于降低熔渣的粘度，從而有利于熔渣的流動性和焊縫成形。MgO可以改善熔渣的堿度、透氣性和表面張力，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，焊劑中隨MgO含量的增加，熔渣的膨脹系數(shù)增加，焊道的成形性提高。SiO2有利于焊接工藝性的改善，它能改善熔渣的粘度和表面張力，對焊道的成形有重要的作用。Al2O3具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，熔點較高，對脫渣性起顯著作用[4-6]。電渣焊劑WSJ38HR化學(xué)成分見表2。

表2 WSJ38HR焊劑化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗過程

帶極電渣堆焊材料選用研制的WEQ308HR焊帶和WSJ38HR焊劑，焊帶規(guī)格0.5 mm×60 mm，焊劑規(guī)格為178～2 000 μm，母材選用300 mm×300 mm×40 mm的A508-Ⅲ鋼板，過渡層選用EQ309L焊帶，電源采用平特性電源林肯DC-1500，控制系統(tǒng)采用林肯NA-3N。采用帶極電渣堆焊，焊前需預(yù)熱試板，預(yù)熱溫度為100～150 ℃。焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 WEQ308HR/WSJ38HR焊接工藝參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊劑的工藝性能

WEQ308HR不銹鋼焊帶配合電渣焊劑WSJ38HR進行堆焊時，起弧容易、電弧燃燒穩(wěn)定、無飛濺和煙塵、焊道表面成形美觀、焊道之間搭接處熔合良好、脫渣良好、無咬邊現(xiàn)象、整體焊接工藝性能良好。堆焊后對焊道厚度和寬度進行測量，測量結(jié)果，過渡層厚度為3.2 mm，堆焊層厚度為3.3 mm，焊道寬度為65 mm。焊接工藝性如圖1所示。

圖1 WEQ308HR/WSJ38HR堆焊工藝形貌

3.2 焊劑的冶金性能

堆焊層質(zhì)量與焊劑有著密切關(guān)系。焊劑除了起到焊縫合金穩(wěn)定過渡作用外，還能起到抑制熔敷金屬中C，S，P等有害元素增加的作用。同時，減少益合金元素Cr，Ni等有益元素的燒損量。文中對焊帶和熔敷金屬中C，Si，Mn，S，P，Cr，Ni元素進行化學(xué)分析對比，得出了7種元素的過渡特性，見表4。

表4 焊劑WSJ38HR典型元素過渡特性(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3.3 焊帶和熔敷金屬化學(xué)成分

焊帶和熔敷金屬化學(xué)成分按照NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標(biāo)準(zhǔn)中GB/T 223進行化學(xué)分析，結(jié)果見表5，從表5中可以看出，焊帶及熔敷金屬化學(xué)成分滿足核電相關(guān)技術(shù)要求。

表5 WEQ308HR焊帶及熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3.4 不同焊接熱輸入條件下熔敷金屬力學(xué)性能

在焊接電壓不變的條件下，通過對焊接電流和焊接速度等焊接工藝參數(shù)進行了調(diào)整，共設(shè)計出4種焊接試驗方案，研究了不同焊接熱輸入對熔敷金屬力學(xué)性能的影響規(guī)律，不同焊接試驗方案下焊接工藝參數(shù)見表6。

表6 試驗焊接工藝參數(shù)

3.4.1拉伸試驗

熔敷金屬室溫拉伸試驗按NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標(biāo)準(zhǔn)中GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》執(zhí)行，室溫拉伸試樣直徑為φ10 cm。4種不同焊接試驗方案下的室溫拉伸強度結(jié)果見表7。從表7中可以看出，焊接熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時，室溫拉伸性能均能很好的滿足核電相關(guān)技術(shù)要求，而且穩(wěn)定性較好。隨著焊接熱輸入的增加，抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率呈下降趨勢，焊接熱輸入對斷面收縮率的影響較小。

表7 焊接熱輸入對室溫拉伸性能影響

3.4.2彎曲試驗

彎曲試驗按GB/T 2653—2008執(zhí)行，D=4a，α=180°要求進行，對焊道分別取橫向大側(cè)彎180 mm×40 mm×10 mm試塊4件，對試樣進行180°冷彎試驗后，彎曲部位均未發(fā)現(xiàn)裂紋。結(jié)果表明，將熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時，堆焊層具有良好的彎曲性能。試樣冷彎后的宏觀照片如圖2所示。

圖2 冷彎試樣形貌

3.4.3 晶間腐蝕試驗

晶間腐蝕試驗按照NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標(biāo)準(zhǔn)中GB/T 4334—2008 E法執(zhí)行，對焊道取80 mm×20 mm×3 mm的試塊4件，經(jīng)16 h硫酸-硫酸銅-銅屑溶液腐蝕后，對試樣進行180°彎曲試驗，在顯微鏡下放大后對彎曲面進行觀測，均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕傾向。結(jié)果表明,將熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時，耐蝕層具有良好的晶間腐蝕性。

3.4.4金相試驗

從方案2和方案3中各選取焊縫橫向截面上顯微試樣1件，經(jīng)拋光、腐蝕后，在金相顯微鏡下放大后進行微觀組織觀察，焊縫金相形貌如圖3和圖4所示。

圖3 熔敷金屬金相組織(E=91.8 kJ/cm)

從圖3和圖4中可以看出，堆焊層組織均為奧氏體+δ鐵素體了，呈柱狀晶，未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋。結(jié)果表明，隨著熱輸入增加，奧氏體晶粒出現(xiàn)明顯的長大趨勢，原因在于隨熱輸入的增加，高溫停留時間隨之增加，導(dǎo)致奧氏體晶粒長大。除此之外，金屬原子的擴散速度會隨著峰值溫度的增加而加快，C，N等元素會降低γ-Fe原子間的結(jié)合力，使鐵元素自擴散速度增加，從而使奧氏體晶粒長大[7-8]。

圖4 熔敷金屬金相組織(E=110.1 kJ/cm)

4 結(jié)論

(1)新研制的核級不銹鋼焊帶WEQ308HR配合電渣焊劑WSJ38HR焊接，工藝性能良好、焊道成形光滑平整、脫渣良好，焊劑具有較好的工藝性能和冶金性能。

(2)新研制的電渣堆焊材料通過控碳控氮處理，解決了室溫抗拉強度不能穩(wěn)定≥520 MPa的難題。

(3)新研制的焊帶具有較寬泛的熱輸入適應(yīng)性，在焊接熱輸入70.9～187.2 kJ/cm范圍內(nèi)，熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能穩(wěn)定，滿足核電相關(guān)技術(shù)要求。